近年來(lái)，隨著(zhù)城市排水科學(xué)的發(fā)展，管道和污水廠(chǎng)共同處理（pipe-and-plant treatment）的新模式得到了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注，這種模式認為，排水管道和污水處理廠(chǎng)一樣，也可以達到處理污水的目的。從理論上講，在排水管道輸送污水的過(guò)程中，滿(mǎn)足基質(zhì)降解的幾個(gè)重要條件：①好氧、厭氧的交替環(huán)境；②降解各種污染物的微生物；③基質(zhì)降解所需的水力停留時(shí)間。排水管道內基質(zhì)的降解主要發(fā)生在管道生物膜內，而生物膜不同于活性污泥系統，膜內部的環(huán)境要素分布特性極大地影響著(zhù)物質(zhì)在其中的遷移轉化過(guò)程，進(jìn)而決定了污染物的降解效能。另外，排水管道中的基質(zhì)種類(lèi)和基質(zhì)濃度也影響著(zhù)生物膜的組成、活性以及生物膜內的微生物菌落結構，而污染物的去除與生物膜的結構有很大的關(guān)系。

城市生活污水C/N比一般在5左右，在排水管道系統內對COD的去除較容易，但對氮的去除相對較難。為了提高氮的去除效果，必須探索不同C/N條件下氮形態(tài)在生物膜內的遷移轉化特征及其影響因素。Okabe等通過(guò)研究不同C/N比下非限制性混合群體生物膜中硝化細菌和異養細菌的群體動(dòng)力學(xué)和硝化效率之間的關(guān)系發(fā)現，生物膜中最初的微生物組成和基質(zhì)成分（如C/N比等）極大地影響著(zhù)后來(lái)的群體動(dòng)力學(xué)行為和硝化效果。高C/N比將延遲硝化細菌的積累，但在后來(lái)的運行中將會(huì )得到相對穩定的硝化效果。

從20世紀60年代末開(kāi)始，微電極技術(shù)在水處理領(lǐng)域中得到應用，Whalen等和Bungay等首先采用溶解氧微電極對滴濾池中的生物膜進(jìn)行了研究。此后，微電極測試技術(shù)引起了越來(lái)越多的關(guān)注，國內外學(xué)者對此開(kāi)展了廣泛的研究。20世紀90年代開(kāi)始，ORP微電極和硫化物離子選擇性微電極逐漸被應用到生物膜的研究中。微電極使空間上微米級的分析成為可能，它不但能夠表征生物膜內外沿深度、生物膜表面相垂直方向特征參數的梯度分布和膜內部某深度上特征參數的變化情況，而且通過(guò)溶解氧電極的使用，可以直接測定生物膜的厚度。

本文采用排水管道生物膜反應器裝置培養生物膜，使用微電極在不同C/N下進(jìn)行測試，獲得氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮以及溶解氧在生物膜內部的分布規律，進(jìn)而分析生物膜內部氮元素的遷移轉化機理，旨在探索不同C/N對管道生物膜脫氮過(guò)程的影響。

1材料與方法

1.1實(shí)驗裝置與配水

實(shí)驗采用PVC材料制作的反應器模擬排水管道。裝置示意如圖1所示，最上方為高位水箱，實(shí)驗污水從3個(gè)等高的高位水箱流經(jīng)各個(gè)坡度相同的排水管道及中間水箱后到達各自的低位水箱，然后采用磁力循環(huán)泵將水轉移至高位水箱，由此進(jìn)行循環(huán)，其中PVC管內壁貼有PVC薄片作為生物膜生長(cháng)的載體。由于污水流動(dòng)過(guò)程中水力條件相同，因此，在同一批次實(shí)驗過(guò)程中，3套反應器中剪切力條件相同的，只有水質(zhì)條件不同。實(shí)驗采用人工配水，配方見(jiàn)表1.為了更好的模擬真實(shí)廢水中的情況，配水中還加入了生物膜生長(cháng)所需的微量元素。

圖1實(shí)驗裝置示意

表1人工配水成分

1.2微電極測試系統

微電極測試系統示意圖如圖2所示。

圖2微電極測試系統示意

采用NH4+,NO3-,NO2-離子選擇性微電極進(jìn)行測試，微電極產(chǎn)生的電信號通過(guò)丹麥Unisense公司生產(chǎn)的主機MicrosensorMultimeter收集，并通過(guò)軟件SensorTrace PRO V.3.1.3在計算機中讀取NH4+的濃度分別為10-5,10-4,10-3,10-2,10-1mol/L時(shí)，濃度的負對數與產(chǎn)生的電壓值之間表現出良好的線(xiàn)性相關(guān)性，相關(guān)系數為0.9987,同樣NO3-、NO2-離子選擇性微電極的相關(guān)系數分別為0.9979和0.9985.電極的響應時(shí)間指電極從剛開(kāi)始接觸樣品到測量值達到最大測量值90%所需要的時(shí)間，這3種微電極的響應時(shí)間都小于10s,而且性能比較穩定。生物膜內DO濃度采用Unisense公司生產(chǎn)的尖端直徑為10μm的DO微電極（OX10）獲得，其響應時(shí)間小于3s,攪拌敏感度低，可以可靠、快速地進(jìn)行測量。微環(huán)境的測量應當只在穩定的支架上進(jìn)行，此支架應當固定在結實(shí)無(wú)震動(dòng)的桌子上，實(shí)驗中采用Unisense支架LS18以及微電極推進(jìn)器（MM33-2），推進(jìn)器通過(guò)馬達控制器（MC-232）控制，實(shí)現μm級的步進(jìn)距離。